光散射式数字粉尘测试仪的标定及不确定度分析

郜津慧

王智超①②

杨英霞②

孙海莉②

（①沈阳建筑大学市政与环境工程学院，沈阳110168；②中国建筑科学研究院，北京100013）

0 引言

2010年由美国太空总署公布的2001年到2006年全球PM2.5数值图显示我国大多地区空气污染严重，主要表现在对人体健康的危害、植物和生态系统的影响、能见度降低及材料腐蚀等方面，为避免空气质量继续恶化，国家相继出台多项政策与标准，在GB3095-2012《环境空气质量标准》中对颗粒物(PM10)浓度限定标准，年平均一级、二级标准分别为 40、100μg/m3，日平均分别为 50、150μg/m3，对颗粒物(PM2.5)浓度限定标准，年平均一级、二级标准分别为 15、35μg/m3，日平均分别为 35、75μg/m3。

在环境保护、劳动卫生和安全防疫等管理中，粉尘测量也是一个重要环节，现在市场上广泛应用的直接读取数值的粉尘测试仪因其工作原理不同分为光散射式、β射线式、交流静电感应式等等，也因此在测量过程中，测量数值比对相差悬殊，难免让测试人员疑惑测试数据的真实性，为了得到可靠数据，依据标准JJG 846-1993《光散射式数字粉尘测试仪》将粉尘测试仪溯源到天平称重，以实现所有仪器测量值的统一性和溯源性。

1 粉尘仪浓度及转化系数的测定

依据标准JJG 846-1993《光散射式数字粉尘测试仪》对仪器AM510进行标定，采用DEHS气溶胶作为尘源，标定浓度分别控制在 0.5mg/m3、1.0mg/m3、2.0mg/m3、3.0mg/m3（偏差为±10%），该实验通过将粉尘测试仪溯源到天平对滤膜的称重，得出转换系数k，从而实现对粉尘仪的标定。标定系统如图1所示。

图1 粉尘仪的标定系统

在试验过程中要注意，一是保证粉尘仪与大气采样装置同时、平行采样；二是采样前后将滤膜放入温湿度恒定在15-30℃、45%-55%中某一点的环境中稳定24h后进行称重。称重结束后对测量结果进行计算和分析，粉尘仪和采样装置测得质量浓度之间的相对误差以及转换系数的计算。

E——相对误差，（%）；

ρ1——粉尘仪测得校正粒子的质量浓度，（mg/m3）；

ρ2——采样装置测得校正粒子的质量浓度，（mg/m3）。

m1——采样前滤膜的质量，（mg）；

m2——采样后滤膜的质量，（mg）；

V——采气体积，（L）。

B——粉尘仪的基底值，此处取0.001mg/m3。

ki——在第i个标定浓度下的转换系数。

经对比发现，在各标定浓度下光散射式数字粉尘测试仪的测量误差基本≤10%，数据显示，该粉尘仪的测量结果偏差不大，但为保证在实际测量中更接近真值，采用测量值与转换系数的乘积作为真值的最佳估计值，k=0.97837，然而，在标定过程中，往往由于人为因素或仪器本身存在的误差，标定结果不可避免地存在着不确定度，所以，对测量结果进行不确定度分析成为标定过程中不可或缺的一部分。

表1 各浓度下相对误差的比对与转化系数k值计算表

2 测量结果的不确定度评定

测量不确定度就是对测量结果质量的定量表征，测量结果的可用性很大程度上取决于其不确定度的大小。所以，测量结果表述必须同时包含赋予被测量的值及与该值相关的测量不确定度，才是完整并有意义的。

2.1 建立数学模型

根据建立的数学模型可以看出，对大气采样装置引入的误差包括滤膜增重、大气采样器的流量计和计数器，而滤膜增重又包括称量过程中的重复性误差和天平自身存在的误差；待校准粉尘仪的误差来源主要是在测量过程中测量值的不稳定性。

2.2 灵敏系数的计算 灵敏系数描述了输入估计值xi的微小变化△xi所引起的输出量的微小变化△yi。按下式进行计算，Cri（xi）=∂（yi）/∂（xi）

yi——输出量；

xi——输入量。

2.3 分量不确定度的计算 对测量结果进行A类不确定度评定和B类不确定评定，以及合成标准不确定度和扩展不确定度的分析，结果如表2、3所示。

2.3.1 A类不确定度评定

影响测量结果重复性的因素主要有测量仪器的变动性、人员操作和读数差异、样品不均匀等因素。滤膜称重过程、粉尘仪测量过程都伴随有重复性误差，由此带来的A类不确定度uA计算如下：

表2 分量不确定度计算表

表3 合成标准不确定度和扩展不确定度计算表

2.3.2 B类不确定度评定

①大气采样器的不确定度。

经标定该大气采样器在20L/min流量点测量不确定度为1.18%（k=2），则该大气采样器的流量计引入的不确定度分量计算如下：

②电子天平的不确定度。

电子天平不确定度的计算公式如下式所示：

其中，S——电子天平最大示值误差；

M——对应的示值刻度；

K——分布类别，按矩形分布估计，取K=3 。

2.4 合成不确定度的计算 采样滤膜增重的不确定度包括人为因素等引起的重复性误差u（m）和天平自身存在的不确定度u（w），则滤膜增重引起的不确定度计算：

合成不确定度按下式进行计算：

其中，y——输出量；xi——输入量；

Cri——各输入量的灵敏系数。

2.5 扩展不确定度的计算

up=k·u（y）

up——扩展不确定度；

k——包含因子一般取2～3，在这里k取2。

3 结论

通过以上实验和数据分析，实现了对TSI光散射式粉尘仪AM510的标定与不确定度分析，得到转换系数为0.97837，最大扩展不确定度达6.373%≤10%，数据显示，该粉尘仪作为标准粉尘仪对其他设备进行标定是符合标准的，可以投入使用。

但是，在分量不确定度的计算过程中发现，不确定度的主要来源是粉尘仪测量过程中不稳定带来的误差，最高可达69%，影响粉尘仪测量不稳定的因素如尘源、温湿度，实验装置的密封性等推动着我们下一步的研究。

[1]JJG 846-1993，光散射式数字粉尘测试仪[S].北京:中国计量出版社，1993，8.

[2]王兴东.光散射式数字粉尘测试仪的标定及测量结果分析[J].中国计量，2008（8）：80-81.

[3]王兴东.光散射式数字粉尘测试仪的标定及应用[J].中国测试技术，2007，33（6）：80-81.

[4]陆民一.光散射数字粉尘测试仪的标定及其应用的研究[J].航天标准化，2002（3）：31-33.

[5]樊玮，邹晓华，孙彦楷.粉尘浓度测量仪校准方法及测量结果不确定度分析[J].计量学报，2012，33（z1）：188-191.

[6]JJF 1059-1999,测量不确定度评定与表示[S].国家技术监督局，1999.

[7]姚金才.不确定度评定中灵敏度系数及相关系数分析[D].重庆：重庆文理学院，2006.

[8]唐胜睦.测量不确定度评定中灵敏系数的计算[J].计量与测试技术,2013,40（1）:66-67.